EP0292349A1 - Géophone comportant un élément sensible en polymère piézoélectrique - Google Patents

Géophone comportant un élément sensible en polymère piézoélectrique Download PDF

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EP0292349A1
EP0292349A1 EP88401085A EP88401085A EP0292349A1 EP 0292349 A1 EP0292349 A1 EP 0292349A1 EP 88401085 A EP88401085 A EP 88401085A EP 88401085 A EP88401085 A EP 88401085A EP 0292349 A1 EP0292349 A1 EP 0292349A1
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geophone
inertial mass
housing
mass
bimetallic
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Claude Gragnolati
Didier Thollon
Jean-Georges Malcor
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Thales SA
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Thomson CSF SA
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    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01V—GEOPHYSICS; GRAVITATIONAL MEASUREMENTS; DETECTING MASSES OR OBJECTS; TAGS
    • G01V1/00—Seismology; Seismic or acoustic prospecting or detecting
    • G01V1/16—Receiving elements for seismic signals; Arrangements or adaptations of receiving elements
    • G01V1/18—Receiving elements, e.g. seismometer, geophone or torque detectors, for localised single point measurements
    • G01V1/181—Geophones
    • G01V1/184—Multi-component geophones
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y10—TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC
    • Y10S—TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y10S310/00—Electrical generator or motor structure
    • Y10S310/80—Piezoelectric polymers, e.g. PVDF

Definitions

  • the present invention relates to geophones, that is to say to devices which make it possible to detect vibrations, sound or infrasonic, in particular of the earth's crust. It relates more particularly to geophones comprising a sensitive element formed with a piezoelectric polymer.
  • Polymeric or copolymeric materials are known which, when properly treated, exhibit piezoelectric properties.
  • the best known material is polyvinylidene fluoride, known by the abbreviation for PVF2.
  • FIG. 1 We know how to make a bimetal sensor, as shown in FIG. 1, using two blades 101 and 102 superimposed and separated by a conductive electrode 103. These blades are polarized in the same direction, and their outer surfaces are covered with conductive electrodes 104 and 105.
  • This bimetal strip is embedded in a part 106, which here also allows connection to the external electrodes 104 and 105 and to an output connection 107.
  • the central electrode 103 is itself joined to a second output connection 108 .
  • this bimetallic strip When, as in the figure, this bimetallic strip is subjected to a bending movement with respect to the embedding part 106, an electrical signal appears between the connections 107 and 108 all the greater as the bending movement of the bimetallic strip is tall.
  • An alternative embodiment consists in using two layers of PVF2 polarized in opposite directions and in taking the output signal between the external electrodes.
  • microphonic sensors based on piezoelectric polymer, as described for example in French patent 2,542,552 of the applicant. It is quite certain that by fixing such a microphone on the ground, one will obtain at the exit of this one a slight signal due to the movement of this same ground. However, the sensitivity of such a system is quite poor due to the absence of inertial mass, and the resonance frequency will be much too high to be able to correctly detect infrared vibrations.
  • the invention proposes to use an inertial mass suspended very freely in a housing, and to provide this housing with at least one bimetallic strip made of piezoelectric polymer coming to be embedded in a side in the housing and freely supported by one of its faces on the inertial mass.
  • the geophone shown in Figure 2 includes a base 201 defining a horizontal plane XY.
  • a cover 202 shown in parts broken away in the figure to show the interior of the geophone, covers the upper surface of the base 201 by delimiting an interior space in which the main elements of the geophone are placed. This cover forms with the base the geophone housing.
  • An inertial mass 203 in the form of a cylinder, the axis of which is vertical in a direction Z perpendicular to XY, is suspended inside the cover 202 by elastic fixing means 204 and 205.
  • these fixing means are formed of diabolos, of viscoelastic material with low shear modulus, bearing, for one between the upper face of the inertial mass and the upper internal bottom of the cover, and for the other between the underside of the inertial mass and the base 201.
  • Such materials are known, gels for example, which make it possible to ensure the vertical suspension of the inertial mass while having almost zero resistance to the displacement of this mass in the XY plane, that is to say a very large compliance.
  • balls could be used placed between the inertial mass, the base and the cover, or even very flexible springs.
  • These bimetallic strips come to bear on one side on three generators, themselves distributed at 120 ° on the lateral face of this mass. They thus maintain said inertial mass centered in the middle of the cover in the absence of any particular effort.
  • the embedding parts can be part of the cover 202, being obtained during the machining of the latter.
  • the bimetallic strips must be perfectly embedded in their support piece and the latter must be perfectly maintained on the cover, so that the derivative of the deformation during bending of the bimetallic strips, which corresponds to the law of deformation of these, or zero at the point of embedding.
  • the mass In its movement in the XY plane, the mass tends to approach certain bimetallic strips by deforming them and therefore moving away from the others. It is absolutely necessary that the bimetallic strips always remain in contact with the inertial mass. For this, they are positioned to obtain a prestress such that when the inertial mass moves away from a bimetallic strip it reduces this preload, and that the bimetallic strip tends to follow the mass by straightening and maintaining contact with the surface of the latter. this.
  • each bimetal strip is connected to charge amplifiers such as 208.
  • charge amplifiers such as 208.
  • These amplifiers are formed, in a known manner, of a looped-back operational amplifier with a capacity in parallel with a resistor, so that the amplification is determined essentially by the ratio between this capacity and the capacity of the bimetallic strip.
  • the signals of these charge amplifiers which are advantageously arranged inside the cover, are available on outputs S1 to S3 fixed on the base 201.
  • the signal delivered by a bimetallic strip is a function of the amplitude of the movement of the inertial mass in a direction perpendicular to the surface of this mass along the generator of contact with the bimetallic strip.
  • these bimetal strips are distributed regularly at 120 ° around the circumference of the cylinder, and as we know their positions in the XY plane, the three signals thus obtained make it possible to completely determine, by known processing, the relative movement of the mass inertial to the housing.
  • a plane wave forming an angle with the direction Y, causes the housing 202 to move between two positions, one shown in solid lines, and the other in dotted lines. This displacement is maximum by a value d in a direction perpendicular to the wave front.
  • PVF2 The flexibility of PVF2 makes it possible to produce bimetallic strips having a very low natural resonant frequency, for example less than 1 Hz for a bimetallic strip having a length of 35mm and a thickness of 0.5mm.
  • the geophone's response is essentially determined by the characteristics of the inertial mass and its viscoelastic suspension.
  • this geophone By using this geophone above the resonance frequency of the suspended inertial mass, it functions as a displacement sensor in a frequency band limited below by the resonance frequency and above by the decrease in the amplitude of the output signal. It decreases regularly as a function of frequency.
  • it is possible to obtain a frequency band which can reach three decades between 1 Hz and 1 kHz.
  • an inertial mass 401 and 4 bimetallic strips 402 to 405 are used, distributed regularly around the inertial mass every 90 °. There are therefore two pairs of bimetallic strips respectively 402, 403 and 404, 405 in which the bimetallic strips of the same pair are diametrically opposite, and these pairs are orthogonal to one another.
  • the bimetal signals are applied in differential amplifiers 410 and 411.
  • the signals of the same pair are applied respectively to the + and - inputs of the same differential amplifier which, taking into account the positioning of the bimetallic strips, corresponds to a summation of these signals.
  • charge amplifiers can be incorporated into the differential amplifiers.
  • the invention also extends to the case of a triaxial geophone comprising an inertial mass, for example spherical, and at least 4 bimetallic strips coming to rest on this spherical mass, for example at the four corners of a regular tetrahedron.

Abstract

L'invention concerne les géophones destinés à mesurer les vibrations des corps, notamment de l'écorce terrestre, sur laquelle ils sont fixés.Elle consiste à utiliser des bilames (206-208) en polymère piézoélectrique, encastrés par une extrémité dans le boîtier du géophone (202) et venant s'appuyer librement par une face sur la masse inertielle (203) du géophone.Elle permet de réaliser des géophones ayant une très grande bande passante.

Description

  • La présente invention se rapporte aux géophones, c'est-à-dire aux dispositifs qui permettent de détecter les vibrations, sonores ou infrasonores, notamment de l'écorce terrestre. Elle concerne plus particulièrement les géophones comportant un élément sensible formé avec un polymère piézoélectrique.
  • Il est connu, par exemple du brevet US 4 144 520, de réaliser un géophone en utilisant un aimant permanent formant masse inertielle suspendue dans un boîtier, lui-même en contact avec le milieu soumis aux vibrations à détecter, c'est-à-dire le plus souvent le sol. Un solenoïde est bobiné sur le boîtier, de telle manière que les mouvements de l'aimant à l'intérieur du boîtier induisent une tension électrique dans ce solenoïde. Ces mouvements sont dus à l'inertie de l'aimant, qui reste sensiblement immobile lorsque le boîtier vibre en étant entraîné par les mouvements du sol, suite à un tremblement de terre par exemple.
  • On connaît des matériaux polymères, ou copolymères, qui, lorsqu'ils sont convenablement traités, présentent des pro­priétés piézoélectriques. Le matériau le plus connu est le polyflorure de vinylidène, connu sous l'abréviation de PVF₂.
  • On sait réaliser un capteur bilame, tel que représenté sur la figure 1, en utilisant deux lames 101 et 102 superposées et séparées par une électrode conductrice 103. Ces lames sont polarisées dans le même sens, et leurs surfaces extérieures sont recouvertes d'électrodes conductrices 104 et 105. Ce bilame est encastré dans une pièce 106, qui permet ici également la connexion aux électrodes extérieures 104 et 105 et à une connexion de sortie 107. L'électrode centrale 103 est elle-même réunie à une deuxième connexion de sortie 108.
  • Lorsqu'on soumet, comme sur la figure, ce bilame à un mouvement de flexion par rapport à la pièce d'encastrement 106 il apparaît entre les connexions 107 et 108 un signal électrique d'autant plus grand que le mouvement de flexion du bilame est grand.
  • Une variante de réalisation consiste à utiliser deux couches de PVF₂ polarisées dans des sens contraires et à prendre le signal de sortie entre les électrodes externes.
  • On sait également réaliser des capteurs microphoniques à base de polymère piézoélectrique, comme décrit par exemple dans le brevet français 2 542 552 de la demanderesse. Il est bien certain qu'en fixant un tel microphone sur le sol on obtiendra à la sortie de celui-ci un léger signal dû au mouvement de ce même sol. Toutefois la sensibilité d'un tel système est tout à fait médiocre en raison de l'absence de masse inertielle, et la fréquence de résonance sera beaucoup trop haute pour pouvoir détecter correctement les vibrations infra-sonores.
  • Pour obtenir un géophone comportant un élément sensible en polymère piézoélectrique, l'invention propose d'utiliser une masse inertielle suspendue très librement dans un boîtier, et de munir ce boîtier d'au moins un bilame en polymère piézoélectrique venant s'encastrer d'un côté dans le boîtier et prenant librement appui par l'une de ses faces sur la masse inertielle.
  • D'autres particularités et avantages de l'invention apparaîtront clairement dans la description suivante présentée en regard des figures annexées qui représentent :
    • - la figure 1 : une vue en coupe d'un bilame en polymère piézoélectrique connu ;
    • - la figure 2 : une vue en arraché d'un géophone selon l'invention ;
    • - la figure 3 : un schéma explicatif du fonctionnement du géophone de la figure 2 ; et
    • - la figure 4 : un schéma d'une variante du géophone de la figure 2.
  • Le géophone représenté sur la figure 2, comprend un socle 201 définissant un plan horizontal XY.
  • Un capot 202, représenté en arraché sur la figure pour montrer l'intérieur du géophone, vient recouvrir la surface supérieure du socle 201 en délimitant un espace intérieur dans lequel sont placés les éléments principaux du géophone. Ce capot forme avec le socle le boîtier du géophone.
  • Une masse inertielle 203, ayant la forme d'un cylindre, dont l'axe est vertical selon une direction Z perpendiculaire à XY, est suspendue à l'intérieur du capot 202 par des moyens de fixation élastiques 204 et 205. Dans l'exemple représenté, ces moyens de fixation sont formés de diabolos, en matériau viscoélastique à module de cisaillement faible, prenant appui, pour l'un entre la face supérieure de la masse inertielle et le fond interne supérieur du capot, et pour l'autre entre la face inférieure de la masse inertielle et le socle 201.
  • On connaît de tels matériaux, des gels par exemple, qui permettent d'assurer la suspension verticale de la masse inertielle tout en présentant une résistance quasiment nulle au déplacement de cette masse dans le plan XY, c'est-à-dire une très grande compliance.
  • A titre de variante de réalisation on pourrait utiliser des billes placées entre la masse inertielle, le socle et le capot, ou bien même des ressorts très souples.
  • Un ensemble de trois bilames 206 à 208, en polymère piézoélectrique, encastrés à une extrémité dans des pièces d'encastrement 209 à 211, sont fixés par leur pièce d'encastrement régulièrement à 120° l'un de l'autre sur la face interne verticale du capot 202. Ces bilames viennent s'appuyer par une face sur trois génératrices, elles-mêmes réparties à 120° sur la face latérale de cette masse. Ils maintiennent ainsi ladite masse inertielle centrée au milieu du capot en l'absence de tout effort particulier.
  • A titre de variante les pièces d'encastrement peuvent faire partie du capot 202 en étant obtenues lors de l'usinage de celui-ci.
  • Pour obtenir une réponse correcte, il faut que les bilames soient parfaitement encastrés dans leur pièce support et que celle-ci soit parfaitement maintenue sur le capot, de telle manière que la dérivée de la déformée lors de la flexion des bilames, qui correspond à la loi de déformation de ceux-ci, soit nulle à l'endroit de l'encastrement.
  • Dans son mouvement dans le plan XY, la masse tend à se rapprocher de certains bilames en les déformant et donc à s'éloigner des autres. Il est tout à fait nécessaire que les bilames restent toujours en contact avec la masse inertielle. Pour cela on les positionne pour obtenir une précontrainte telle que lorsque la masse inertielle s'éloigne d'un bilame elle diminue cette précontrainte, et que le bilame tend à suivre la masse en se redressant et en maintenant le contact avec la surface de celle-ci.
  • Les sorties de chaque bilame sont reliées à des amplificateurs de charge tels que 208. Ces amplificateurs sont formés, de manière connue, d'un amplificateur opérationnel rebouclé avec une capacité en parallèle avec une résistance, de manière à ce que l'amplification soit déterminée essentiellement par le rapport entre cette capacité et la capacité du bilame. Les signaux de ces amplificateurs de charge, qui sont avantageusement disposés à l'intérieur du capot, sont disponibles sur des sorties S₁ à S₃ fixées sur le socle 201.
  • Le signal délivré par un bilame est fonction de l'amplitude du mouvement de la masse inertielle dans une direction perpendiculaire à la surface de cette masse le long de la génératrice de contact avec le bilame. Comme ces bilames sont répartis régulièrement à 120° sur le pourtour du cylindre, et que l'on connaît leurs positions dans le plan XY, les trois signaux ainsi obtenus permettent de déterminer complètement, par un traitement connu, le mouvement relatif de la masse inertielle par rapport au boîtier. Dans un exemple simple, représenté sur la figure 3, une onde plane, formant un angle avec la direction Y, fait bouger le boîtier 202 entre deux positions, représentées l'une en traits pleins, et l'autre en traits pointillés. Ce déplacement est maximum d'une valeur d dans une direction perpendiculaire au front d'onde.
  • La souplesse du PVF₂ permet de réaliser des bilames ayant une fréquence propre de résonance très basse, par exemple inférieure à 1 Hz pour un bilame ayant une longueur de 35mm et une épaisseur de 0,5mm.
  • Dans ces conditions la réponse du géophone est essentiellement déterminée par les caractéristiques de la masse inertielle et de sa suspension viscoélastique. En utilisant ce géophone au-dessus de la fréquence de résonance de la masse inertielle suspendue, celui-ci fonctionne en capteur de déplacement dans une bande de fréquences limitée en bas par la fréquence de résonance et en haut par la décroissance de l'amplitude du signal de sortie. Celui-ci décroît en effet régulièrement en fonction de la fréquence. On peut obtenir, selon les caractérisques des moyens de suspension utilisés, une bande de fréquences qui peut atteindre trois décades entre 1 Hz et 1 kHz.
  • Il existe toute une gamme de matériaux viscoélastiques permettant de réaliser une suspension en forme de diabolo comme sur la figure 2 et d'ajuster la fréquence de résonance entre 1 Hz et 100 Hz.
  • Dans une variante de réalisation, représentée schématiquement en figure 4, on utilise une masse inertielle 401 et 4 bilames 402 à 405, répartis régulièrement autour de la masse inertielle tous les 90°. On a donc deux paires de bilames respectivement 402, 403 et 404, 405 dans lesquelles les bilames d'une même paire sont diamètralement opposés, et ces paires sont orthogonales entre elles.
  • Après amplification par des amplificateurs de charge 406 à 409, les signaux des bilames sont appliqués dans des amplificateurs différentiels 410 et 411. Les signaux d'une même paire sont appliqués respectivement aux entrées + et - d'un même amplificateur différentiel ce qui, compte tenu du positionnement des bilames, correspond à une sommation de ces signaux.
  • Les signaux de sortie de ces amplificateurs différentiels donnent donc directement l'amplitude et la phase du déplacement de la masse inertielle 401 selon les deux directions X et Y. On simplifie ainsi le traitement ultérieur de ces signaux, au prix toutefois d'une légère complication de construction mécanique, puisque le système ainsi obtenu est hyperstatique et que le centrage de l'ensemble doit être plus rigoureux.
  • Il est à noter que les amplificateurs de charge peuvent être incorporés aux amplificateurs différentiels.
  • L'invention s'étend également au cas d'un géophone triaxial comportant une masse inertielle, par exemple sphérique, et au moins 4 bilames venant s'appuyer sur cette masse sphérique, par exemple aux quatre coins d'un tétraèdre régulier.

Claims (8)

1. Géophone comportant une boîtier (201, 202), une masse inertielle (203), des moyens élastiques (205-204) de suspension de cette masse au boîtier, et des moyens de mesure (206-208) des déplacement de la masse par rapport au boîtier, caractérisé en ce que ces moyens de mesure comprennent au moins un bilame (206-208) en polymère piézoélectrique fixé rigidement au boîtier (202) par des moyens d'encastrement de l'une de ses extrémités et venant s'appuyer librement sur la masse inertielle (203).
2. Géophone selon la revendication 1, caractérisé en ce que la masse inertielle (203) présente une surface cylindrique dont l'axe est perpendiculaire à un plan de mesure (X,Y) du géophone, et que le bilame (206-208) vient s'appuyer par l'une de ses faces sur une génératrice de cette surface.
3. Géophone selon la revendication 2, caractérisé en ce qu'il comprend 3 bilames (206-208) sensiblement identiques répartis régulièrement autour de ladite surface cylindrique pour s'appuyer sur 3 génératrices de cette surface situées à 120° les unes des autres.
4. Géophone selon la revendication 2, caractérisé en ce qu'il comprend 4 bilames (406-409) sensiblement identiques répartis régulièrement autour de ladite surface cylindrique pour s'appuyer sur 4 génératrices de cette surface situées à 90° les unes des autres.
5. Géophone selon l'une quelconque des revendications 2 à 4, caractérisé en ce que les moyens de suspension sont formés de diabolos (204,205) en matériau viscoélastique à grande compliance venant s'appuyer d'un côté sur le boîtier (202) et de l'autre respectivement sur les centres des faces terminales de la masse inertielle (203).
6. Géophone selon la revendication 1, caractérisé en ce que la masse inertielle (203) est une sphère, et qu'il comporte au moins 4 bilames (206-208) répartis régulièrement autour de la sphère en s'appuyant chacun par une face sur un point de cette sphère pour pouvoir mesurer les déplacements de celle-ci dans les trois dimensions (X,Y,Z).
7. Géophone selon la revendication 6, caractérisé en ce que les points d'appui des quatre bilames sont répartis sur les sommets d'un trétraèdre régulier.
8. Géophone selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, caractérisé en ce que dans la position de repos de la masse inertielle (203) celle-ci vient précontraindre le bilame (206-208) dans une position fléchie qui tend à se redresser lorsque la masse s'en éloigne.
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